基于藍(lán)牙通信的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)研究

高文杰

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限公司屯蘭礦選煤廠，山西 古交 030206）

0 引言

液壓支架是現(xiàn)代綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，并且數(shù)量較多，如果液壓支架出現(xiàn)故障但無法及時排除，將會嚴(yán)重威脅綜采工作面的安全生產(chǎn)，因此實(shí)現(xiàn)對液壓支架工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控意義重大，其中液壓支架的壓力信息尤為重要，現(xiàn)有的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)多依賴有線通信傳輸數(shù)據(jù)，不僅成本高、布線困難，且線路易磨損、維護(hù)不便。為了解決這一問題，本文引入藍(lán)牙通信作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑哂休^高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓力監(jiān)測系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)主要分為2層，以嵌入式網(wǎng)關(guān)作為分界點(diǎn)，底層采用藍(lán)牙通信作為主要通信方式，壓力采集表采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)將壓力信息通過藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)上傳至嵌入式網(wǎng)關(guān)；上層通信主要通過工業(yè)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸，嵌入式網(wǎng)關(guān)將藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并上傳至上位機(jī)管理軟件，工作人員可以通過上位機(jī)管理軟件設(shè)置預(yù)警值，當(dāng)壓力超過預(yù)警值即發(fā)出報(bào)警，另一方面上位機(jī)管理軟件也負(fù)責(zé)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示以及存儲，方面工作人員的查看以及實(shí)時監(jiān)控。

圖1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的藍(lán)牙嵌入式網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)以及藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)都屬于藍(lán)牙設(shè)備，藍(lán)牙設(shè)備主要由微控制器以及藍(lán)牙芯片組成。由于藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)和藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)需要處理的數(shù)據(jù)量較小，因此選用成本較低的低功耗芯片STC13L2K08S2，該芯片不需要外部復(fù)位和晶振，因此降低了電路板布線難度。嵌入式網(wǎng)關(guān)對微控制器的處理能力有較高要求，因此選用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103RCT6，該芯片在保持較低功耗的同時擁有較高的處理速度，內(nèi)部Flash容量為256kB，并可擴(kuò)展外部存儲器。三種藍(lán)牙設(shè)備的藍(lán)牙芯片均選用BlueCore CSR8645A03，該芯片符合IEEE802.15.1通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，功耗低、傳輸速度快，接收器的靈敏度為-93dBm，最大傳輸距離為100m，最大輸出功率為10dBm。

1.2 壓力監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

壓力采集表負(fù)責(zé)采集液壓支架工作時的壓力數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳至藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，為了降低功耗，藍(lán)牙設(shè)備平時處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后則被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，該藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)被喚醒后即開始尋呼周邊的藍(lán)牙設(shè)備，附近原本處于睡眠狀態(tài)的藍(lán)牙設(shè)備收到呼叫后建立連接，這些藍(lán)牙設(shè)備中發(fā)出尋呼的藍(lán)牙設(shè)備為主設(shè)備，而接受尋呼的藍(lán)牙設(shè)備為從設(shè)備，一臺主設(shè)備和一臺從設(shè)備組成的簡單網(wǎng)絡(luò)即為微微網(wǎng)，一個主設(shè)備最多可以與7個從設(shè)備建立連接，并且一臺主/從設(shè)備也可能是另一臺設(shè)備的從/主設(shè)備，這樣就形成了藍(lán)牙自組網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中同時具備主設(shè)備和從設(shè)備兩種身份的藍(lán)牙設(shè)備即為橋節(jié)點(diǎn)，在藍(lán)牙自組網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個藍(lán)牙設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

嵌入式網(wǎng)關(guān)被喚醒后，開始接受藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的壓力信息，然后將信息通過以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)，同時也將數(shù)據(jù)存入了外部存儲器中，當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)失效時，工作人員可以通過USB接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，避免由于故障導(dǎo)致的監(jiān)測系統(tǒng)失效。

2 藍(lán)牙自組網(wǎng)過程

根據(jù)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，嵌入式網(wǎng)關(guān)是藍(lán)牙自組網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ荒康墓?jié)點(diǎn)，而藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)是藍(lán)牙自組網(wǎng)中的源節(jié)點(diǎn)，當(dāng)液壓支架停止工作時，則網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)均進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而減少電量消耗，當(dāng)液壓支架工作時，則連續(xù)檢測和傳輸液壓支架的壓力信息。根據(jù)上述要求，藍(lán)牙自組網(wǎng)絡(luò)應(yīng)為樹狀結(jié)構(gòu)，其中目的節(jié)點(diǎn)只有一個，路由節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)同時也是橋節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，同時路由節(jié)點(diǎn)又應(yīng)該有一定數(shù)量的子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)中可以是其他路由節(jié)點(diǎn)也可以是源節(jié)點(diǎn)，而源節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。藍(lán)牙自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

藍(lán)牙自組網(wǎng)形成過程如下：

1）路由發(fā)現(xiàn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到壓力采集表的數(shù)據(jù)被喚醒后，即向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包，并快速轉(zhuǎn)發(fā)至整個網(wǎng)絡(luò)，用于尋找目的節(jié)點(diǎn)。

2）構(gòu)建散射網(wǎng)。目的節(jié)點(diǎn)在接收到路由發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包后，即開始尋找附近的路由節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)成相應(yīng)的微微網(wǎng)，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的從設(shè)備達(dá)到7個后，即停止尋找路由節(jié)點(diǎn)。然后已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)尋找其他沒有加入網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)作為自己的子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)所有的路由節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點(diǎn)開始尋找附近的源節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，從而完成了自組網(wǎng)的過程。

圖2 藍(lán)牙自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3 壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟件

3.1 藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

由于壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要依靠電池進(jìn)行供電，因此監(jiān)測系統(tǒng)的功耗是必須考慮的問題，由于液壓支架的壓力數(shù)據(jù)主要用于升降架的過程中，所以當(dāng)液壓支架不進(jìn)行升降架的時候，壓力監(jiān)測系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)壓力發(fā)生突然變化時，壓力監(jiān)測表開始采集數(shù)據(jù)上傳至藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，并使其進(jìn)入工作狀態(tài)，在藍(lán)牙自組網(wǎng)形成以后，藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)開始向目的節(jié)點(diǎn)（嵌入式網(wǎng)關(guān)）發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，首先應(yīng)由藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)尋呼藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，并建立鏈接，鏈接建立成功后，藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)，并由藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至嵌入式網(wǎng)關(guān)，從而完成數(shù)據(jù)傳輸。如果在建立鏈接過程中被其他源節(jié)點(diǎn)搶占，則等待下一次路由節(jié)點(diǎn)發(fā)起鏈接，軟件流程如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)工作流程圖

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)不僅是通信系統(tǒng)頂層和底層的中轉(zhuǎn)裝置，并且其本身也能夠獨(dú)立作為上位機(jī)完成壓力的監(jiān)測功能，嵌入式網(wǎng)關(guān)擁有人機(jī)交互界面，可以實(shí)時顯示壓力數(shù)據(jù)的同時，工作人員也可以發(fā)送相應(yīng)的指令，控制監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行。嵌入式網(wǎng)關(guān)有SD卡接口和USB接口，當(dāng)上位機(jī)無法與嵌入式網(wǎng)關(guān)正常通信時，工作人員可以直接從嵌入式網(wǎng)關(guān)將壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析。嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊如圖4所示。

圖4 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊圖

當(dāng)液壓支架不進(jìn)行升降架動作時，嵌入式網(wǎng)關(guān)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收到啟動指令后，嵌入式網(wǎng)關(guān)被喚醒并完成初始化工作，嵌入式網(wǎng)關(guān)在接收到RDP后，開始組建網(wǎng)絡(luò)，然后接受子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的壓力數(shù)據(jù)。嵌入式網(wǎng)關(guān)將壓力信息一方面打包上傳至上位機(jī)，另一方面通過人機(jī)界面實(shí)時顯示出來，嵌入式網(wǎng)關(guān)在接收到數(shù)據(jù)后需要確認(rèn)是否接收到對應(yīng)液壓支架的壓力值，如果沒有正常接收，則向上位機(jī)發(fā)送警報(bào)，提醒工作人員進(jìn)行排查。嵌入式網(wǎng)關(guān)工作流程如圖5所示。

圖5 嵌入式網(wǎng)關(guān)工作流程圖

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件不僅需要負(fù)責(zé)實(shí)時顯示液壓支架的壓力變化，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、存儲和分析。因此上位機(jī)軟件按照功能可分為：實(shí)時顯示、系統(tǒng)管理、檔案管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出。其中系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)修改、添加、刪除用戶信息；檔案管理主要負(fù)責(zé)管理壓力采集表信息的傳輸，如果在工作面修改或者刪除壓力采集表，必須通過檔案管理模塊錄入壓力采集表信息，才能夠進(jìn)行實(shí)施顯示；歷史數(shù)據(jù)查詢是將壓力數(shù)據(jù)制作成相應(yīng)的圖表，工作人員可根據(jù)日期進(jìn)行相應(yīng)的查閱。

4 結(jié) 語

液壓支架不僅是工作面的主要支護(hù)設(shè)備，也是采煤工藝中的重要一環(huán)，因此實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時采集，即時發(fā)現(xiàn)、排查故障有著非常重要的意義，本文設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙通信的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)，并研究了藍(lán)牙自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)壓力實(shí)時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，解決了現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)布線困難，可靠性差的問題。